KR830001354B1 - 핵 연료요소 집합체 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

핵 연료요소 집합체

제1도는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 제작된 연료집합체의 평단면도.

제2도는 원자로의 한 수준에서 냉각재의 직교류 형태를 보인 제1도와 유사한 단면도.

제3도는 원자로의 다른 수준에서의 직교류형태를 보인 단면도.

제4도는 연료요소피복과 일체로 형성된 6개의 핀(fin)을 가진 연료요소의 측면도.

제5도는 제4도의 5-5선 단면도.

제6도는 세개의 종방향 핀이 주변에 일정한 간격을 두고 일체로 형성된 연료요소의 측면도.

제7도는 제6도의 7-7선 단면도.

제8도는 하나의 종방향 핀이 축방향으로 간격을 두고 형성된 연료요소의 측면도.

제9도는 제8도의 9-9선 단면도.

제10도는 다섯개의 종방향핀이 주변에 일정한 간격을 두고 일체로 형성된 연료요소의 측면도.

제11도는 제10도의 11-11선 단면도.

제12도는 세개의 종방향 핀이 주변에 일정한 간격을 두고 일체로 형성된 것이 축방향으로 간격을 두고 배설된 연료요소의 측면도.

제13도는 제12도의 13-13선 단면도.

제14도는 주변에 일정한 간격을 두고 일체로 형성된 두개의 종방향핀 이 축방향으로 일정한 간격을 두고 배설된 연료요소의 측면도.

제15도는 제14도의 15-15선 단면도.

제16도는 네개의 종방향 핀이 주변에 일정한 간격을 두고 형성된 것이 축방향으로 일정한 간격을 두고 배설된 연료요소의 측면도.

제17도는 제16도의 17-17선 단면도.

제18도는 본 발명의 특징에 따라 배열된 다수의 연료요소의 측면도.

제19도는 제18도의 한단부에서 본 평면도.

본 발명은 원자로용 핵연료요소집합체(fuel element assembly)에 관한 것으로, 특히 핵분열이 열중성자스펙트럼의 범위를 넘는 에너지 수준을 갖는 중성자에 의하여 주도 유도되는 "밀집격자"형의 수냉식 핵전환로용의 연료요소집합체에 관한 것이다.

종래 유사한 종류의 원자로에 비하여 개선된 증식비에 의하여 특징지어지는 고온열 중성자스펙트럼으로부터 중간의 중성자 스펙트럼을 갖는 가압중수형 원자로가 미국 특허 제3,859,165호에 기술되어 있다. 0.2-0.3 범위의 수용적 분율을 갖는 밀집격자를 이용하는 경수로에 대하여 우라늄-플루토늄 연료사이클에 대한 유사한 잇점들이 미핵협회보고서 ["the Transaction of the American Nuclear Society" Vol. 5(1978), pp. 508-509]에 기술되어 있다. 밀집격자에 대한 중성자스펙트럼은 고분해공명영역(약 400eV)으로 연장된 대미부(大尾部)를 제외하고는 고속증식로의 전형적인 것이라고 할 수 있다. 그 결과, 0.8을 초과하는 전환비를 성취할 수 있도록 "밀집격자"를 갖는 가압수형 원자로의 노심에 고온열-고속원자로 특성을 부여할 수 있다는 것이 명백하다.

"밀집격자"는 0.2-0.3 범위의 유효 노심수용적분율, 즉 2-3.2 범위의 연료대 수용적비를 갖는 것으로서 정의된다. 이에 비하여, 전형적인 현재 운전중의 가압수형 원자로의 연료대 수용적비를 사용하는 플루토늄재순환설계에서는 0.5의 전환비가 예상된다. 전환비는 전환로에 있어서 발생하는 새로운 핵분열물의 원자수대 소비된 최초의 핵분열 원자수의 비율이다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 전환로는 소비된 핵연료와는 다른 핵분열물질을 생성하는 원자로이다.

비열중성자에 의하여 핵분열이 밀집격자에 유도되는 가압수형 원자로는 핵발전분야에 현재 존재하는 광범위한 가압수 기술을 이용하여 우라늄-238이 핵분열성 플루토늄-239로 효율적으로 전환될 수 있는 전망을 부여한다. 더우기 밀집격자형 연료집합체 노심은 공지의 가압수형 원자로 내에 유리하게 적용시킬 수 있다.

전형적인 가압수형 원자로 노심설계는 연연료봉으로서 공지된 원통형 연료요소의 집합체를 노심전체에 걸쳐 규칙적으로 분포하는 것을 포함한다. 열발생연료봉은 원자로 노심을 가로지르고 있는 인접한 평행통로를 통하여 가압수가 유동함으로서 냉각된다. 밀집격자를 갖는 가압수형 전환로에 있어서, 가압수대 연료용적비는 전환비를 증대시키기 위하여 최소화하지 않으면 안되는 바, 전환비는 연료봉의 간격과 연료농축율에 의존한다. 소정의 가압수대 연료용적비에 대하여 연료봉 사이에 최대간격을 제공하기 위해 횡단면이 육각형인 연료요소집합체에서 연료봉의 삼각형 격자의 이용이 알려져 있다. [핵에너지연감(Annals of Nuclear Ene-rgy), Vol.2, pp.801-807,1975 참조]. 아울러, 균일한 온도분포를 달성하기 위하여 노심내에서, 특히 연료봉 표면대 표면간격이 최소인 영역에서 온도변화에 적응하고 최소가 되는 것이 중요하다. 따라서, 연료봉 사이의 간격을 유지하고 또 일축 통로로부터 다음 통로로의 직교류를 촉진하기 위하여 연료봉에 나선형 리브(rib)를 형성하거나 또는 와이어(wire)가 권취되도록 제안되었다. 비록 여러가지 형태의 핀(fin)이 형성되거나 와이어가 권취된 연료봉 구성이 열중성자원자로기술 또는 비수냉식 원자로기술 또는 이들 모두에 발표되었으나, 가압수전환로의 밀집격자설계에 관련된 상이한 열수력 및 핵반응의 고려가 중요하며 그 직접적인 사용이 배제되었다. 더우기 핀이 형성되거나 와이어가 권취된 설계를 사용하는 구성은 노심 냉각재 압력강하라는 제한성으로 제약을 받을 수도 있다. 더우기 연료봉 사이의 거리를 유지하고 냉각재를 전환시키도록한 이들의 이용은 냉각재의 유동형태를 제한하는 것으로 알려져 있다. 따라서 밀집격자형 전환로용도를 위한 새로운 연료요소집합체의 개발을 필요로 하게 된 것이다.

본 발명에 의하면, 다수의 원통형 연료봉이 정삼각형 모양을 이루며 일정간격의 배열로 상호 평행하게 배치되는 원자로용의 밀집격자형연료요소집합체가 제공된다. 각 형료봉의 길이를 따라 간격을 두고 종방향핀이 외부에 배설되고 연료봉의 일부에 대하여 이들이 일정한 각도로 만곡되어 인접한 연료봉의 표면에 접선적으로 접함으로서 상호 여섯군데의 점이 측방향으로 지지된다. 핀이 동일측평면에서 접선적으로 접하는 점에서 인접 연료요소에 고정되므로 연료요소와 핀이 실제로 연료집합체내에 단일 유니트(unit)를 구성하는 것이 본 발명의 다른 특징이다.

핀은 인접한 냉각재유동통로 사이에서 냉각재가 직교류하도록 유도하고, 예시된 구체예에서는 유동통로내에서 축방향으로 일정간격을 둔 핀의 각조의 선단변부 및 후단변부에서 유동형태가 교호로 발산 및 수렴되도록 한다. 연료요소집합체의 횡단면에서 인접유동통로에 대하여 반입 또는 전환되는 상대적인 유량은 변화되며, 더우기 주어진 유동통로에서 전환 또는 반입되는 유동량은 주어진 일련의 핀의 후단과 선단에서 또한 변화된다.

본 발명의 다른 특징은 전환비가 0.8이거나 그 이상인 열중성자스펙트럼의 범위를 넘어서 핵분열이 지배적으로 유도되는 수냉식 전환로용의 연료요소집합체에 적합한 밀집형 격자구조를 가지는 것이다.

본 발명을 첨부도면에 의하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

제1도는 6각형의 단면을 갖는 밀집격자형 연료요소집합체(20)를 보인 것이다. 연료요소집합체(20)는 외부에 종방향 핀(40)을 가진 연료봉으로 공지된 다수의 평행한 원통형 연료요소(30)와 삼각형의 형태로 배열된 집합체스페이서수단(50)을 포함한다. 연료요소핀(40)은 핵연료친물질과 핵분열성물질의 혼합체로 구성된 핵연료를 감싸는 원통형의 피복과 일체로 형성되어 있다. 전형적으로 연료요소는 고속중성자의 영향하에 핵분열할 수 잇는 U-235, Pu-239 또는 U-233과 같은 연료 물질과 혼합된 U-238 또는 Th-232과 같은 핵연료친 물질을 포함한다. 인접한 연료봉(30)사이에 배설된 평행한 종방향 유동통로(60)가 연료집합체(20)를 횡단하여 형성되어 있다. 경수이거나 중수인 냉각 유체는 대체로 연료봉(30)에 평행한 통로를 통하여 유동한다.

1-5개의 종방향 핀(40)이 각 연료봉(30)이 길이를 따라 축방향으로 일정한 간격을 두고 배설되어 있다. 일련의 핀에서 핀(40)은 연료봉(30)의 외부 원통형면을 따라서 피복의 최소한 일부에서 동일한 주변길이로 만곡되어 있다. 인접한 핀은 동일한 주변방향의 간격으로 분리되어 있다. 모든 핀은 연료요소집합체(20)의 종축선에 대하여 동일하고 일정한 각도로 연료봉(30)에 선회되어 있다. 각 핀(40)의 높이는 두 인접한 연료봉(30)사이에 형성되는 최소간격의 크기와 일치한다. 각 핀(40)의 한 주변의 점은 인접연료봉(30)의 피복의 원통상 외면 또는 스페이서수단(50)의 표면에 접선적으로 접촉하여, 예컨대 납땜과 같은 방법으로 영구고정된다. 인접 연료봉사이의 핀접촉은 집합체(20)의 내부격자 방향 위치를 통하여 공통횡단면에서 연료봉을 여섯군데의 측면점에서 지지하는 효과를 가지도록 배열되어 있다. 핀은 연료봉을 일정한 간격을 두고 정확히 배열하는 수단을 제공한다.

각 핀(40)은 두 인접유동통로(60) 사이의 최소 연료요소 간격을 통하여 종방향유동의 한 부분의 횡방향유동성분을 부여하도록 충분한 길이와 각도로 형성되어 있다. 축방향으로 일정한 간격을 두고 형성된 일련의 핀사이의 간격은 적당한 횡방향 유동성분이 일련의 핀상이의 축방향간격부에서 최소간격을 통해 유지되고, 또한 연료 요소집합체 전체가 연료봉사이에 적합한 간격을 제공하고 그리고 대표적인 현재의 연료봉 스페이서에서 일반적으로 달성할 수 있는 연료요소집합체내의 소망하는 수준의 구조적 보존성을 제공하기에 충분한 수의 견고한 지지점을 포함하는 것을 보증하도록 선택된다.

본 발명에 다른 연료요소집합체는 연료대 수용적비 즉 밀집격자의 수용적 분율을 나타낼 수 있는 피치(pitch)대 연료봉직경비를 갖는 삼각형의 형태로 배열된 다수의 핀이 형성된 연료봉으로 구성된다. 제1도에 도시된 실시형태에서, 연료봉(30)은 각 축방향의 열마다종방향 핀의 수와 주위 간격이 상이하게 되어 있다. 따라서 중앙의 연료봉(30F)에는 제6도 및 제7도에서 보인 바와 같이 주위를 따라 종방향으로 일정한 간격을 가진 3개의 종방향 핀(40)이 형성되어 있다.

중앙의 연료봉(30F)의 핀(40)은 원통형 피복의 주위에 대하여 120°의 각도로 동일한 간격으로 배설되어 있다. 연료봉(30F)의 각 핀(40)의 주위의 일점은 인접한 연료봉(30A)의 피복에 접촉연결된다. 제8도 및 제9도에서 보인 바와 같이, 연료봉(30A)에는 다수의 축방향으로 일정한 간격을 두고 배설된 단일 핀이 형성되어 있다. 인접 연료봉(30E)의 핀주위의 점들이 중앙의 연료봉(30F)의 핀 사이의 영역내에서 중앙 연료봉(30F)의 원통형피부에 접촉연 결되어 공통횡단 면내에 여섯군대의 측방향 지점을 형성한다. 연료봉(30E)에는 5개의 일련의 핀이 축방향으로 간격을 두고 배설되어 있다. 각 일련의 축방향 연료봉(30E)에 형성된 핀(40)은 제10도 및 제11도에서 보인 바와 같이 원통형 피복의 300°부분에 걸쳐 상호 동일한 간격을 두고 배설되어 있다.

중앙 연료봉(30F)에 대한 격자 연료봉 위치의 제1동 심윤곽은 연료봉(30A)과연료봉(30E)이 교호도 연속되게 배열하여 형성된다. 또한 제2동심 윤곽은 3종류의 연료봉(30A-30C-30E)이 교호로 연속되게 배열하여 형성된다. 제12도 및 제13도에서 보인 바와같이, 연료봉(30C)에는 원통형 피복의 표면의 180°부분에 걸쳐 3개의 핀이 동일한 간격을 두고 배설되어 있다. 제1도의 실시형태에서 외측윤곽은 집합체스페이서 수단(50)과 연료봉(30D)에 의하여 교호로 일정한 간격을 두고 배설된 인접 연료봉(30C) 또는 (30B)의 쌍으로 구성된다. 연료봉(30B)은 제14도 및 제15도에 도시되어 있으며, 연료봉(30D)은 제16도 및 제17도에 도시되어 있다. 더 많은 수의 동심윤곽을 갖는 연료요소 집합체를 표 Ⅰ에서 보인 바와 같은 실시형태에 따라서 구성될 수 있다. 표 Ⅰ은 중앙 연료봉(300F)에 대하여 N개의 동심윤곽을 갖는 연료요소 집합체에서 각 연료봉(30)수와 위치를 나타낸 것이다.

[표 1]

제1도의 실시형태에서는 1-5개의 핀으로 구성되는 축방향으로 일정한 간격을 가진 일련의 핀을 포함하는 연료요소가 이용되고 있다. 각 핀은 연료요소 집합체의 종축선에 대하여 등각으로 각도 배치되어 있다.

제4도 및 제5도는 연료요소 피복과 일체로 형성된 6개이 핀을 갖는 연료 요소를 보이고 있다. 여기에서 예시되는 실시형태에 이용되는 형태의 연료요소는 제4도 및 제5도에서 보인 배열로부터 핀의 필요한 수와 축방향 간격을 감안하여 불필요한 핀을 제거함으로서 제조될 수 있다. 연료요소를 위한 단부캡과 내부 연료 구조는 공지의 방법에 따라 구성될 수 있다.

본 발명의 숙련된 자이면 상술한 바와 같은 삼각피치(triangular-pitch)형의 연료요소 배열이 주위방향으로 일정한 간격을 두고 6개까지의 일련의 핀이 축방향으로 배설된 여러가지 조합의 연료봉으로 구성될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 아울러, 중앙의 연료봉이 핀을 가지지는 않으나 인접 연료봉으로부터 핀의 접촉에 의하여 측방으로 지지되도록 연료요소 집합체내에 일련의 핀을 배열하는 것이 가능하다.

제1도에서 보인 실시형태에서 각 핀은 연료요소의 축선에 대하여 시계 방향으로 선회되어 있다.

중실(中實)의 봉(bar)으로 외주연 윤곽의 모서리에 하나 건너씩 위치하고 있는 스페이서수단(50)은 노심에서 연료 집합체를 삽탈하도록하고 또 인접 연료집합체 사이의 측방향 간격을 유지하도록 하는 안내수단으로서 작용한다. 노심의 주변에서 연료 집합체의 스페이서수단(50)은 6각형의 연료요소 집합체의 노출된 측부를 평행하게하는 평면상의 노심격막표면(도시하지 않았음)에 접하게된다. 연료요소와 노심격막 구조체 사이에는 노심의 주위에서 연료요소 집합체의 인접한 6각측부 사이에 냉각재 유동의 횡방향 성분의 순환이 허용되도록공극이 형성된다. 연료 집합체 단부취부구(도시하지 않았음)는 집합체의 단일구조를 제공하도록 스페이서에 취부된다.

제2도 및 제3도는 제1도 배열에서 핀에 의하여 종방향 유동에 전달되는 횡방향 유동성분(화살표로 표시하였음)을 보인 것이다. 이에 관련하여, 제2도는 핀의 선단변부에서 횡방향 유동성분을 보인 것이며, 제3도는 후단 변부에서의 횡방향 유동형태를 보인 것이다. 설명상 연료요소 집합체가 수직으로 배설될 때 일반적으로 종방향 유동은 상향이라고 하면, 유도된 횡방향 유동성분은 제1도-제3도의 실시형태에서 핀의 시계방향각도로 상향되며 핀의 "선단부"는 최하측변부가 되고 핀의 "후단부"는 최상측변부가 된다. 따라서 핀의 선단부는 핀이 배실된 유동 통로로부터 유동을 전향하고 핀의 후단부는 핀이 배설된 유동 통로 측으로 유동을 운반한다. 제2도 및 제3도에서 중앙 연료요소에 대하여 부호 61-66으로 표시한 다수의 대표적인 유동통로는 보다 설명을 용이하게 한 것이다. 제2도에서 공통 횡단면에 있어서 일련의 핀의 선단부에서 인접한 통로의 횡방향 유동성분은 인접 유동 통로로부터 단일핀(통로 61,63,65에서)과 이중핀(통로 62,64,66에서)에 의하여 교호로 유동되어 나가게 된 것을 보이고 있다. 제3도에서 보인 바와같이, 유동은 하나(통로 62,64,66에서) 또는 두개(통로 61,63,65에서)의 핀 후단부에 의하여 유동 통로로 교호로 들어가는 것을 보이고 있다. 더우기 주어진 유동통로에서 유동되어 들어가거나 유동되어 나오는 유동 전환의 수는 각 선단부 또는 후단부에서 또한 교호한다. 따라서 단일 횡방향 유동분은 핀의 선단부에서 통로(61)로부터 유동되어 나가는 반면에 두 개의 유동분이 핀의 후단부에서 유동통로(61)로 유동되어 들어온다. 연료봉 사이의 최소 공간 지역을 통한 인접통로 사이의 횡방향 유동성분의 유도는 열의 전달을 촉진하고 이들 근접공간 지역에서 냉각재와 피복온도를 낮추어 주므로서 과잉의 피복 온도의 발생의 가능성을 줄어주고 노심내의 온도를 적정 수준에서 한층 균일하게 유지시켜 준다.

제18도 및 제19도 본 발명에 따라서 연결된 상이한 수의 핀을 가진 일련의 연료요소의 축부와 단부를 보인 것이다.

표 Ⅱ는 전형적인 경수로 내에 삽입하도록한 본 발명에 따른 연료요소 집합체를 이용하는 노심의 세부사항을 보인 것이다.

[표 2]

이상 설명한 바와같이, 다수의 현저한 특성이 본 발명의 특징을 나타낸다. 연료요소는 삼각피치형태로 배열된다. 모든 연료요소는 연료요소 축선에 교차하는 공통횡단면에 놓인점에서 연결된다. 핀의 후단부는 이것이 배치되는 유동통로로 유동되어 들어오게 한다. 핀의 선단부는 이것이 배치되는 유동통로로부터 유동되어 나가게 한다. 연료요소에 축방향으로 일정한 간격을 두고 배설된 일련의 핀의 각각은 공통횡단면 사이에 연장되어 있다. 연료요소상에 배설된 일련의 핀의 선단부의 평면에서 유동은 연료요소 둘레의 인접유동 통로로부터 교호로 유동되어 나간다. 즉 두필 또는 단일핀에 의하여 교호로 유동되어 나가는 것이다. 유사한방법으로, 후단부에서는 유동이 인접통로로 교호로 유동되어 들어온다. 핀의 선단부 평면에서 이중 유동전환이 일어나는 통로는 핀의 후단부 평면에서 단일유동 수렴현상이 일어난다. 더우기 냉각재의 횡방향 유동성분은 인접한 연료요소 사이의 최소간극의 모든 지역을 횡당한다. 끝으로, 횡방향 유동성분은 노심내의 인접 연료 집합체 사이의 횡방향 순환을 촉진하도록 연료요소 집합체에서 이루어지므로 노심전체를 통하여 냉각재 온도변화를 줄여준다.

본 명세서에 사용된 "밀집격자"라는 용어는 연료대 수용적비가 2-2.2의 범위이거나 수용적분율(집합체의 용적에 대하여)이 0.2-0.3의 범위, 또는 이들 모두의 경우인 연료집합체를 정의하는 것임을 알 수 있을 것이다.

Claims (1)

1. 가압수 냉각형 전환로용의 밀집격자형 핵연료요소 집합체에 있어서, 정삼각 피치 형태로 일정간격을 두고 평행하게 배치된 다수의 연료봉(30, 30A, 30B, 30C, 30D, 30E, 30F)과, 종방향의 냉각재 유동을 허용하도록 다수의 인접연료봉 사이에 형성된 종방향 냉각재 유동통로(60, 61, 62, 63, 64, 65, 66)와, 상기 연료봉에 공통축방향 간격을 두고 순차적으로 형성된 하나 이상의 종방향 핀(40)으로 구성되며, 상기 핀은 연료봉의 종축선에 대하여 동일한 각도 배향을 이루고 있고, 상기 핀의 각각은 연료봉의 주위의 일부에서 인접냉각재 통로사이로 연장되었으며, 상기 핀의 각각은 동일방향으로 선회되어 있으며, 상기 핀의 각각은 인접 연료봉의 외측원통부분과 접촉연결되는 주위점을 가지고 있고, 상기점들은 동일 횡단면에 놓여있어 종방향냉각재 유동의 횡방향 유동성분이 연료요소 집합체(20)를 통하여 전체적으로 유동될 수 있음을 특징으로 하는 밀집격자형 핵연료요소 집합체.

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